Naczynia krwionośne z drukarki 3D. To nie sci-fi tylko rzeczywistość

Hodowla funkcjonalnych ludzkich organów poza ciałem jest Świętym Graalem medycyny transplantacyjnej – zwracają uwagę naukowcy z harwardzkich: Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering oraz John A. Paulson School of Engineering and Applied Science (USA). Na łamach pisma "Advanced Materials" donieśli właśnie o dużym kroku w stronę osiągnięcia tego "Graala".

Dzięki nowatorskiemu rodzajowi druku 3D, specjaliści zdołali stworzyć sieć naczyń krwionośnych, która jest bardzo podobna do tych występujących w ludzkim organizmie. Naczynia posiadają warstwę mięśni gładkich oraz nabłonka, które zintegrowali z żywą tkanką ludzkiego serca.

"W poprzednich badaniach opracowaliśmy nową metodę biodruku 3D znaną jako SWIFT (Sacrificial Writing Into Functional Tissue), przeznaczoną do tworzenia pustych kanałów w żywej macierzy komórkowej. Tutaj, bazując na tej metodzie, wprowadzamy współosiową metodę SWIFT (co-SWIFT), która odtwarza architekturę wielowarstwową występującą w żywych naczyniach krwionośnych. Ułatwia to tworzenie spójnego śródbłonka i zwiększa odporność na ciśnienie wewnętrzne przepływającej krwi" – tłumaczy jeden z naukowców, Paul Stankey.

Jedną z największych innowacji stanowi unikalna dysza z dwoma niezależnie sterowalnymi kanałami "tuszów", z których powstają naczynia: tuszu otoczkowego na bazie kolagenu i tuszu rdzeniowego na bazie żelatyny.

Wewnętrzna komora dyszy wystaje nieco poza komorę zewnętrzną otoczkową, dzięki czemu dysza może całkowicie przebić wcześniej wydrukowane naczynie, tworząc połączone sieci rozgałęzień zapewniające wystarczające natlenienie ludzkich tkanek i narządów. Rozmiar naczyń można zmieniać podczas drukowania, zmieniając prędkość drukowania lub przepływ atramentu

Aby potwierdzić, że nowa metoda co-SWIFT działa, zespół najpierw wydrukował wielowarstwowe naczynia w przezroczystej, ziarnistej matrycy hydrożelowej. Następnie badacze wydrukowali naczynia w nowego typu matrycy złożonej z porowatego materiału na bazie kolagenu, który naśladuje gęstą, włóknistą strukturę żywej tkanki mięśniowej.

Udało im się pomyślnie wydrukować rozgałęzione sieci naczyniowe w obu tych, pozbawionych komórek matrycach. W kolejnym, jeszcze bardziej skomplikowanym kroku zespół, z sukcesem powtórzył proces drukowania, używając tuszu wzbogaconego o komórki mięśni gładkich, które stanowią zewnętrzną warstwę ludzkich naczyń krwionośnych. W finalnym etapie badacze przetestowali swoją metodę w żywej ludzkiej tkance serca.

Wydrukowane naczynia nie tylko przybrały charakterystyczną dwuwarstwową strukturę ludzkich naczyń krwionośnych, ale także, po pięciu dniach perfuzji płynem imitującym krew, tkanka zaczęła się synchronicznie kurczyć, co wskazuje na jej zdrowie i prawidłowe działanie. Reagowała również na powszechnie stosowane leki kardiologiczne.

Dodatkowo zespół wydrukował nawet model rozgałęzionego układu naczyniowego lewej tętnicy wieńcowej na podstawie budowy narządu żywego pacjenta, demonstrując tym samym potencjał metody w medycynie spersonalizowanej.

W przyszłości zespół planuje opracować metodę tworzenia samoczynnie formujących się sieci kapilar i zintegrować je ze swoimi trójwymiarowo drukowanymi sieciami, co ma pełniej odtworzyć strukturę ludzkich naczyń krwionośnych w mikroskali i poprawić funkcję hodowanych w laboratorium tkanek.

"Powiedzenie, że stworzenie funkcjonalnych żywych tkanek ludzkich w laboratorium jest trudne, to niedomówienie. Jestem dumny z determinacji i kreatywności tego zespołu, który udowodnił, że może rzeczywiście budować lepsze naczynia krwionośne w żywych, bijących tkankach serca człowieka. Czekam z niecierpliwością na dalsze sukcesy w dążeniu do implantacji hodowanych w laboratorium tkanek u pacjentów" – podkreśla dyr. Wyss Institute, prof. Donald Ingber